[发明专利]一种仿制生物骨刚度的多孔骨植入物结构设计方法

说明书

本发明提供了一种仿制生物骨刚度的多孔骨植入物结构设计方法，设计的可降解金属骨科植入物的宏观外形符合骨缺损的外形，具有内部连通多孔结构，宏观上满足植入部位力学需求，微观上圆滑过渡且符合所植入部位原生骨弹性模量分布，设计方法包括步骤有：获得骨科植入物的宏观外形数据；使用三重周期极小曲面作为多孔结构的基本结构单元，并实现其参数化；建立单元结构参数与结构刚度的对应方法及数据库；使用结构刚度‑结构参数的对应方法及数据库完成骨植入物的结构设计；开发出结构单元间连接和过渡的设计方法，实现开发结构单元间的连接和过渡；开发出满足生物骨多样化外形需求的设计方法，最终得到满足需求的骨植入物模型。

技术领域

本发明属于医疗器械领域，尤其涉及一种仿制生物骨刚度的多孔骨植入物结构设计方法。

背景技术

近十年来，随着人类社会不断向老龄化发展，骨科医用器械的需求在迅速增加，我国在这一领域的研究也正在快速推进。而骨科植入物作为骨科器械中最重要的门类，也逐渐受到科研人员越来越多的关注：患者的骨缺损通常由于创伤、关节翻修或肿瘤切除引起，在不借助骨植入的情况下难以自我修复，而如何设计出临床治愈效果好而又无副作用的骨植入物成为了骨科临床常见和棘手的问题。

传统的骨植入物设计方法已经能够满足临床应用的一些要求，但仍存在一些不足。第一，传统骨植入物往往使用简单的实心或空心结构，这意味着骨植入物将表现出均一的、且一般高于原生物骨的弹性模量，这种设计虽然满足了植入部位宏观的力学要求，但由于植入物的弹性模量高于原生物骨，将会产生应力遮挡效应，植入后原本生物体中骨组织将因得不到足够的应力刺激而发生骨质疏松。传统骨植入物设计方法可以在一定程度上满足个性化定制的设计需求，但少有针对各种复杂外形和精度要求的统一的解决方案。

综上所述，如何实现在宏观上满足植入物个性化的外形需求以及植入位置的力学需求，同时在微观上利用多孔结构保证植入物的弹性模量分布符合所植入部位原生骨的弹性模量分布，已经成为亟需解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种仿制生物骨刚度的多孔骨植入物结构设计方法，其特征在于，所述设计方法设计的可降解金属骨科植入物的宏观外形符合骨缺损的外形，同时具有内部连通的多孔结构，在宏观上满足植入部位的力学需求的同时，在微观上圆滑过渡且符合所植入部位原生骨的弹性模量分布，所述设计方法包括以下步骤：

S1)通过待植入部位的医学影像获得可降解金属骨科植入物的宏观外形数据；

S2)使用三重周期极小曲面作为多孔结构的基本结构单元，并实现三重周期极小曲面结构的参数化；

S3)建立单元结构参数与结构刚度的对应方法及数据库；

S4)使用结构刚度-结构参数的对应方法及数据库完成骨植入物的结构设计；

S5)开发出结构单元间连接和过渡的设计方法，实现开发结构单元间的连接和过渡；

S6)开发出满足生物骨多样化外形需求的设计方法，最终得到满足需求的骨植入物模型。

优选的，实现三重周期极小曲面结构的参数化，具体为：包括微观单元边长a，每个单元的相对密度由形状参数c决定，则可由单元结构参数c(x,y,z)的空间矩阵表示单元相对密度ρ(x,y,z)空间分布，(x,y,z)∈Ω，Ω为植入物宏观外形定义的空间区域。

优选的，步骤S3中，建立单元结构参数与结构刚度的对应方法及数据库，具体为：基于 Gibson-Ashby的泡沫金属弹性模量与内部相对密度的模型，建立待用材料结构刚度Ex和孔隙单元实际刚度E的经验公式：E＝Ex*ρ(x,y,z)ⁿ；

通过有限元或实验的方法计算或测得待用材料和对应三重周期极小曲面结构的弹性模量 E随相对密度ρ变化的多个数据点，通过数据拟合的方式得出上述经验公式的n值；